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Un convertidor catalítico de tres vías en una Dodge Ram 1996 con motor de gasolina
Simulación de flujo dentro de un convertidor catalítico.

Un convertidor catalítico es un dispositivo de control de emisiones de escape que reduce los gases tóxicos y los contaminantes en los gases de escape de un motor de combustión interna en contaminantes menos tóxicos al catalizar una reacción redox (una oxidación y una reacción de reducción). Los convertidores catalíticos se utilizan generalmente con motores de combustión interna alimentados con gasolina o diesel, incluidos los motores de combustión pobre , así como los calentadores y estufas de queroseno.

La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos se produjo en el mercado del automóvil de los Estados Unidos . Para cumplir con la regulación más estricta de las emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. , La mayoría de los vehículos a gasolina a partir del año modelo 1975 están equipados con convertidores catalíticos. [1] [2] [3] [4] Estos convertidores "bidireccionales" combinan oxígeno con monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (C n H n ) para producir dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2O). En 1981, los convertidores catalíticos de dos vías quedaron obsoletos por los convertidores de "tres vías" que también reducen los óxidos de nitrógeno ( NO
X ); [1] sin embargo, los convertidores de dos vías todavía se utilizan para motores de mezcla pobre. Esto se debe a que los convertidores de tres vías requieren una combustión rica o estequiométrica para reducir con éxito el NO.
X .

Aunque los convertidores catalíticos se aplican con mayor frecuencia a los sistemas de escape de los automóviles, también se utilizan en generadores eléctricos , montacargas , equipos de minería, camiones , autobuses , locomotoras , motocicletas y barcos. Incluso se utilizan en algunas estufas de leña para controlar las emisiones. [5] Esto suele ser en respuesta a la regulación gubernamental , ya sea a través de una regulación ambiental directa o mediante regulaciones de salud y seguridad.

Historia [ editar ]

Los prototipos de convertidores catalíticos se diseñaron por primera vez en Francia a finales del siglo XIX, cuando solo unos pocos miles de "coches petroleros" circulaban por las carreteras; estaba constituido por un material inerte recubierto de platino, iridio y paladio, sellado en un cilindro metálico doble. [6]

Unas décadas más tarde, un convertidor catalítico fue patentado por Eugene Houdry , un ingeniero mecánico francés y experto en refinación de aceite catalítico, [7] que se mudó a los Estados Unidos en 1930. Cuando se publicaron los resultados de los primeros estudios sobre el smog en Los Ángeles , Houdry se preocupó por el papel de los gases de escape de las chimeneas y de los automóviles en la contaminación del aire y fundó una empresa llamada Oxy-Catalyst. Houdry primero desarrolló convertidores catalíticos para chimeneas llamados "gatos" para abreviar, y luego desarrolló convertidores catalíticos para montacargas de almacén que usaban gasolina sin plomo de baja calidad. [8] A mediados de la década de 1950, comenzó a investigar para desarrollar convertidores catalíticos para motores de gasolina.utilizado en automóviles. Se le concedió la patente de los Estados Unidos 2.742.437 por su trabajo. [9]

Los convertidores catalíticos fueron desarrollados por una serie de ingenieros, incluidos Carl D. Keith , John J. Mooney , Antonio Eleazar y Phillip Messina en Engelhard Corporation, [10] [11] creando el primer convertidor catalítico de producción en 1973. [12]

La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos se produjo en el mercado del automóvil de los Estados Unidos . Para cumplir con la nueva regulación de emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. , La mayoría de los vehículos a gasolina a partir del año modelo 1975 están equipados con convertidores catalíticos. Estos convertidores "bidireccionales" combinaban oxígeno con monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (C n H n ) para producir dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O). [1] [2] [3] [4]Estas estrictas regulaciones de control de emisiones obligaron a eliminar el tetraetil plomo del agente antidetonante de la gasolina de los automóviles para reducir el plomo en el aire. El plomo es un veneno para los catalizadores y destruiría efectivamente un convertidor catalítico al recubrir la superficie del catalizador. Exigir la eliminación del plomo permitió el uso de convertidores catalíticos para cumplir con las otras normas de emisión en las regulaciones. [13]

William C. Pfefferle desarrolló una cámara de combustión catalítica para turbinas de gas a principios de la década de 1970, que permitía la combustión sin una formación significativa de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. [14] [15]

Construcción [ editar ]

Corte de un convertidor de núcleo metálico
Convertidor de núcleo cerámico

La construcción del convertidor catalítico es la siguiente:

  1. El soporte o sustrato del catalizador . Para los convertidores catalíticos de automoción, el núcleo suele ser un monolito cerámico que tiene una estructura de panal (normalmente cuadrada, no hexagonal). (Antes de mediados de la década de 1980, el material catalizador se depositaba en un lecho empacado de gránulos de alúmina en las primeras aplicaciones GM). Los monolitos de láminas metálicas fabricados con Kanthal (FeCrAl) [16] se utilizan en aplicaciones donde se requiere una resistencia térmica particularmente alta. [16] El sustrato está estructurado para producir una gran superficie . La cordieritaEl sustrato cerámico utilizado en la mayoría de los convertidores catalíticos fue inventado por Rodney Bagley , Irwin Lachman y Ronald Lewis en Corning Glass , por lo que fueron incluidos en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales en 2002. [1]
  2. El abrigo. Un washcoat es un portador de los materiales catalíticos y se utiliza para dispersar los materiales en una gran superficie. El óxido de aluminio , dióxido de titanio , dióxido de silicio , o una mezcla de sílice y alúmina se pueden utilizar. Los materiales catalíticos se suspenden en la capa de lavado antes de aplicarlos al núcleo. Los materiales de la capa de lavado se seleccionan para formar una superficie rugosa e irregular, lo que aumenta en gran medida el área de la superficie en comparación con la superficie lisa del sustrato desnudo. Esto, a su vez, maximiza la superficie catalíticamente activa disponible para reaccionar con el escape del motor. La capa debe conservar su superficie y evitar la sinterización.de las partículas de metal catalítico incluso a altas temperaturas (1000 ° C). [17]
  3. Ceria o ceria-zirconia . Estos óxidos se añaden principalmente como promotores del almacenamiento de oxígeno. [18]
  4. El catalizador en sí mismo suele ser una mezcla de metales preciosos , principalmente del grupo del platino . El platino es el catalizador más activo y se usa ampliamente, pero no es adecuado para todas las aplicaciones debido a reacciones adicionales no deseadas y alto costo. El paladio y el rodio son otros dos metales preciosos utilizados. El rodio se usa como catalizador de reducción , el paladio se usa como catalizador de oxidación y el platino se usa tanto para reducción como para oxidación. Cerio , hierro , manganeso y níqueltambién se utilizan, aunque cada uno tiene limitaciones. El níquel no es legal para su uso en la Unión Europea debido a su reacción con el monóxido de carbono en tetracarbonilo de níquel tóxico . [ cita requerida ] El cobre se puede utilizar en todas partes excepto en Japón . [ aclaración necesaria ]

En caso de falla, un convertidor catalítico puede reciclarse y convertirse en chatarra . Se extraen los metales preciosos del interior del convertidor, incluidos platino , paladio y rodio .

Colocación de convertidores catalíticos [ editar ]

Los convertidores catalíticos requieren una temperatura de 800 grados Fahrenheit (426 ° C) para funcionar con eficacia. Por lo tanto, se colocan lo más cerca posible del motor, o se colocan uno o más convertidores catalíticos más pequeños (conocidos como "pre-gatos") inmediatamente después del colector de escape.

Tipos [ editar ]

Bidireccional [ editar ]

Un convertidor catalítico de 2 vías (u "oxidación", a veces llamado "oxi-cat") tiene dos tareas simultáneas:

  1. Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono : 2 CO + O 2 → 2 CO 2
  2. Oxidación de hidrocarburos ( combustible no quemado y parcialmente quemado) a dióxido de carbono y agua : C x H 2x + 2 + [(3x + 1) / 2] O 2 → x CO 2 + (x + 1) H 2 O (una combustión reacción)

Este tipo de convertidor catalítico se usa ampliamente en motores diesel para reducir las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono. También se utilizaron en motores de gasolina en automóviles del mercado estadounidense y canadiense hasta 1981. Debido a su incapacidad para controlar los óxidos de nitrógeno , fueron reemplazados por convertidores de tres vías.

Tres vías [ editar ]

Los convertidores catalíticos de tres vías tienen la ventaja adicional de controlar la emisión de óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2 ) (ambos juntos abreviados con NO X y no confundir con el óxido nitroso (N 2 O) ), que son precursores de la lluvia ácida y el smog . [19]

Desde 1981, los convertidores catalíticos de "tres vías" (oxidación-reducción) se han utilizado en los sistemas de control de emisiones de los vehículos en los Estados Unidos y Canadá; muchos otros países también han adoptado estrictas normativas sobre emisiones de vehículos que, de hecho, requieren convertidores de tres vías en los vehículos que funcionan con gasolina. Los catalizadores de reducción y oxidación están contenidos típicamente en una carcasa común; sin embargo, en algunos casos, se pueden alojar por separado. Un convertidor catalítico de tres vías tiene tres tareas simultáneas: [19]

Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno (N 2 )

Oxidación de carbono, hidrocarburos y monóxido de carbono a dióxido de carbono.

Estas tres reacciones ocurren de manera más eficiente cuando el convertidor catalítico recibe gases de escape de un motor que funciona ligeramente por encima del punto estequiométrico . Para la combustión de gasolina, esta relación está entre 14,6 y 14,8 partes de aire por una parte de combustible, en peso. La proporción de combustibles de autogás (o gas licuado de petróleo GLP), gas natural y etanol puede ser significativamente diferente para cada uno, especialmente con los combustibles oxigenados o basados ​​en alcohol, y el e85 requiere aproximadamente un 34% más de combustible, lo que requiere ajustes y componentes del sistema de combustible modificados. al usar esos combustibles. En general, los motores equipados con 3 vías convertidores catalíticos están equipados con un computarizado Sistema de inyección de combustible de retroalimentación de circuito cerrado que usa uno o más sensores de oxígeno , [ cita requerida ] aunque al principio del despliegue de convertidores de tres vías, se usaron carburadores equipados con control de mezcla de retroalimentación.

Los convertidores de tres vías son efectivos cuando el motor funciona dentro de una banda estrecha de relaciones aire-combustible cerca del punto estequiométrico, de modo que la composición del gas de escape oscila entre rico (exceso de combustible) y pobre (exceso de oxígeno). La eficiencia de conversión cae muy rápidamente cuando el motor se opera fuera de esta banda. En funcionamiento con motor pobre, el escape contiene un exceso de oxígeno y la reducción de NO
X no es favorecido. En condiciones ricas, el exceso de combustible consume todo el oxígeno disponible antes del catalizador, dejando solo oxígeno almacenado en el catalizador disponible para la función de oxidación.

Los sistemas de control del motor de circuito cerrado son necesarios para el funcionamiento eficaz de los convertidores catalíticos de tres vías debido al equilibrio continuo necesario para un NO eficaz.
X reducción y oxidación de HC. El sistema de control debe prevenir el NO
X que el catalizador de reducción se oxide por completo, pero reponga el material de almacenamiento de oxígeno de modo que se mantenga su función como catalizador de oxidación.

Los convertidores catalíticos de tres vías pueden almacenar oxígeno de la corriente de gas de escape, generalmente cuando la relación aire-combustible es pobre. [20] Cuando no hay suficiente oxígeno disponible en la corriente de escape, el oxígeno almacenado se libera y se consume (ver óxido de cerio (IV) ) . Se produce una falta de oxígeno suficiente cuando el oxígeno derivado del NO
X la reducción no está disponible o cuando ciertas maniobras, como la aceleración fuerte, enriquecen la mezcla más allá de la capacidad del convertidor para suministrar oxígeno.

Reacciones no deseadas [ editar ]

Pueden ocurrir reacciones no deseadas en el catalizador de tres vías, como la formación de sulfuro de hidrógeno odorífero y amoníaco . La formación de cada uno puede limitarse mediante modificaciones en la capa de lavado y los metales preciosos utilizados. Es difícil eliminar por completo estos subproductos. Los combustibles sin azufre o con bajo contenido de azufre eliminan o reducen el sulfuro de hidrógeno.

Por ejemplo, cuando se desea controlar las emisiones de sulfuro de hidrógeno, se añade níquel o manganeso al revestimiento de lavado. Ambas sustancias actúan para bloquear la absorción de azufre por parte de la capa. El sulfuro de hidrógeno se forma cuando la capa de lavado ha absorbido azufre durante una parte de baja temperatura del ciclo operativo, que luego se libera durante la parte de alta temperatura del ciclo y el azufre se combina con HC.

Motores diesel [ editar ]

Para los motores de encendido por compresión (es decir, diésel ), el convertidor catalítico más utilizado es el catalizador de oxidación diésel (DOC). Los DOC contienen paladio , platino y óxido de aluminio , todos los cuales oxidan catalíticamente la materia particulada (PM), los hidrocarburos y el monóxido de carbono con oxígeno para formar dióxido de carbono y agua.

Estos convertidores a menudo operan con una eficiencia del 90 por ciento, eliminando virtualmente el olor a diesel y ayudando a reducir las partículas visibles. Estos catalizadores no reducen el NO
X porque cualquier reductor presente reaccionaría primero con la alta concentración de O 2 en los gases de escape diesel.

Reducción de NO
X Las emisiones de los motores de encendido por compresión se han abordado anteriormente mediante la adición de gases de escape a la carga de aire entrante, lo que se conoce como recirculación de gases de escape (EGR).

En 2010, la mayoría de los fabricantes de diésel de servicio liviano en los EE. UU. Agregaron sistemas catalíticos a sus vehículos para cumplir con los nuevos requisitos federales de emisiones. Hay dos técnicas que se han desarrollado para la reducción catalítica de NO
X emisiones en condiciones de escape pobre, reducción catalítica selectiva (SCR) y el NO X adsorbedor .

En lugar de NO que contiene metales preciosos
X absorbentes, la mayoría de los fabricantes seleccionaron sistemas SCR de metal base que utilizan un reactivo como el amoníaco para reducir el NO
X en nitrógeno. El amoníaco se suministra al sistema catalizador mediante la inyección de urea en el escape, que luego sufre descomposición térmica e hidrólisis en amoníaco. La solución de urea también se conoce como líquido de escape diésel (DEF).

Los gases de escape diesel contienen niveles relativamente altos de PM. Los convertidores catalíticos eliminan solo del 20 al 40% de las partículas, por lo que las partículas se limpian con una trampa de hollín o un filtro de partículas diésel (DPF). En los EE. UU., Todos los vehículos ligeros, medianos y pesados ​​en carretera propulsados ​​por diésel y fabricados después del 1 de enero de 2007 deben cumplir con los límites de emisión de partículas diésel, lo que significa que deben estar equipados efectivamente con un convertidor catalítico de 2 vías y un Filtrador de particulas Diesel. Siempre que el motor se haya fabricado antes del 1 de enero de 2007, no es necesario que el vehículo tenga el sistema DPF. Esto provocó que los fabricantes de motores aumentaran el inventario a finales de 2006 para poder seguir vendiendo vehículos anteriores al DPF hasta bien entrado 2007. [21]

Motores de encendido por chispa de combustión pobre [ editar ]

Para los motores de encendido por chispa de mezcla pobre , se usa un catalizador de oxidación de la misma manera que en un motor diesel. Las emisiones de los motores de encendido por chispa de combustión pobre son muy similares a las emisiones de un motor diésel de encendido por compresión.

Instalación [ editar ]

Muchos vehículos tienen un convertidor catalítico de acoplamiento cerrado ubicado cerca del colector de escape del motor . El convertidor se calienta rápidamente, debido a su exposición a los gases de escape muy calientes, lo que le permite reducir las emisiones indeseables durante el período de calentamiento del motor. Esto se logra quemando el exceso de hidrocarburos que resultan de la mezcla extra rica requerida para un arranque en frío.

Cuando se introdujeron por primera vez los convertidores catalíticos, la mayoría de los vehículos usaban carburadores que proporcionaban una relación aire-combustible relativamente rica . Por lo tanto, los niveles de oxígeno (O 2 ) en la corriente de escape eran generalmente insuficientes para que la reacción catalítica ocurriera de manera eficiente. Por lo tanto, la mayoría de los diseños de la época incluían inyección de aire secundario , que inyectaba aire en la corriente de escape. Esto aumentó el oxígeno disponible, lo que permitió que el catalizador funcionara según lo previsto.

Algunos sistemas de convertidor catalítico de tres vías tienen sistemas de inyección de aire con el aire inyectado entre los primeros ( NO
X reducción) y segunda (oxidación de HC y CO) del convertidor. Al igual que en los convertidores de dos vías, este aire inyectado proporciona oxígeno para las reacciones de oxidación. Un punto de inyección de aire aguas arriba, por delante del convertidor catalítico, también está presente a veces para proporcionar oxígeno adicional solo durante el período de calentamiento del motor. Esto hace que el combustible no quemado se encienda en el tracto de escape, evitando así que llegue al convertidor catalítico. Esta técnica reduce el tiempo de funcionamiento del motor necesario para que el convertidor catalítico alcance su temperatura de funcionamiento o "apagado" .

La mayoría de los vehículos más nuevos tienen sistemas electrónicos de inyección de combustible y no requieren sistemas de inyección de aire en sus escapes. En su lugar, proporcionan una mezcla de aire y combustible controlada con precisión que alterna rápida y continuamente entre combustión pobre y rica. Los sensores de oxígeno monitorean el contenido de oxígeno de escape antes y después del convertidor catalítico, y la unidad de control del motor usa esta información para ajustar la inyección de combustible para evitar la primera ( NO
X reducción) del catalizador se cargue con oxígeno, mientras que simultáneamente se asegura que el segundo catalizador (oxidación de HC y CO) esté suficientemente saturado de oxígeno.

Daño [ editar ]

El envenenamiento por catalizador ocurre cuando el convertidor catalítico se expone a gases de escape que contienen sustancias que recubren las superficies de trabajo, de modo que no pueden entrar en contacto y reaccionar con el escape. El contaminante más notable es el plomo , por lo que los vehículos equipados con convertidores catalíticos solo pueden funcionar con combustible sin plomo . Otros venenos de catalizador comunes incluyen azufre , manganeso (que se origina principalmente a partir del aditivo de gasolina MMT ) y silicio , que pueden ingresar a la corriente de escape si el motor tiene una fuga que permite que el refrigerante ingrese a la cámara de combustión. Fósforoes otro contaminante del catalizador. Aunque el fósforo ya no se usa en la gasolina, hasta hace poco tiempo (y el zinc , otro contaminante catalítico de bajo nivel) se usaba ampliamente en aditivos antidesgaste de aceite de motor como el ditiofosfato de zinc (ZDDP). A partir de 2004, se adoptó un límite de concentración de fósforo en los aceites de motor en las especificaciones API SM e ILSAC GF-4.

Dependiendo del contaminante, el envenenamiento por catalizador a veces se puede revertir haciendo funcionar el motor bajo una carga muy pesada durante un período prolongado. El aumento de la temperatura de escape a veces puede vaporizar o sublimar el contaminante, eliminándolo de la superficie catalítica. Sin embargo, la eliminación de los depósitos de plomo de esta manera generalmente no es posible debido al alto punto de ebullición del plomo.

Cualquier condición que haga que niveles anormalmente altos de hidrocarburos no quemados (combustible o aceites crudos o parcialmente quemados) lleguen al convertidor tenderá a elevar significativamente su temperatura, lo que traerá el riesgo de una fusión del sustrato y la desactivación catalítica resultante y una severa restricción de escape. Estas condiciones incluyen falla de los componentes aguas arriba del sistema de escape (conjunto de colector / colector y abrazaderas asociadas susceptibles a oxidación / corrosión y / o fatiga, por ejemplo, el colector de escape astillado después de ciclos de calor repetidos), sistema de encendido, por ejemplo, paquetes de bobinas y / o encendido primario componentes (por ejemplo, tapa del distribuidor, cables, bobina de encendido y bujías) y / o componentes del sistema de combustible dañados (inyectores de combustible, regulador de presión de combustible y sensores asociados). Fugas de aceite y / o refrigerante, quizás causadas por una fuga en la junta de la culata,también puede causar altos niveles de hidrocarburos no quemados. Desde 2006 (en los Estados Unidos), el 10%se ha añadido etanol a la gasolina. [22] El combustible de etanol puede disolver grandes cantidades de agua, llevando potencialmente iones corrosivos y compuestos ácidos a los componentes del sistema de combustible. [23] El etanol en sí mismo también puede ser digerido por acetobacter en presencia de agua, generando ácido acético corrosivo . Estos factores pueden provocar la corrosión de los componentes del sistema de combustible y una relación aire-combustible anormalmente alta . [24]

Los vehículos equipados con sistemas de diagnóstico OBD-II están diseñados para alertar al conductor sobre una condición de falla de encendido al encender la luz de "revisar motor" en el tablero, o hacerla parpadear si las condiciones de falla de encendido actuales son lo suficientemente severas como para dañar potencialmente el convertidor catalítico.

Regulaciones [ editar ]

Las regulaciones de emisiones varían considerablemente de una jurisdicción a otra. La mayoría de los motores de encendido por chispa de automóviles en América del Norte han sido equipados con convertidores catalíticos desde 1975, [1] [2] [3] [4] y la tecnología utilizada en aplicaciones no automotrices generalmente se basa en tecnología automotriz.

Las regulaciones para motores diesel son igualmente variadas, con algunas jurisdicciones enfocándose en NO
X (óxido nítrico y dióxido de nitrógeno) y otras centradas en las emisiones de partículas (hollín). Esta diversidad regulatoria es un desafío para los fabricantes de motores, ya que puede no ser económico diseñar un motor que cumpla con dos conjuntos de regulaciones.

Las regulaciones de la calidad del combustible varían según las jurisdicciones. En América del Norte, Europa, Japón y Hong Kong , la gasolina y el combustible diesel están altamente regulados, y el gas natural comprimido y el GLP (autogás) se están revisando para su regulación. En la mayor parte de Asia y África, las regulaciones suelen ser laxas: en algunos lugares, el contenido de azufre del combustible puede alcanzar las 20.000 partes por millón (2%). Cualquier azufre en el combustible se puede oxidar a SO 2 ( dióxido de azufre ) o incluso a SO 3 ( trióxido de azufre ) en la cámara de combustión . Si el azufre pasa sobre un catalizador, puede oxidarse más en el catalizador, es decir, el SO 2 puede oxidarse más a SO.3 . Los óxidos de azufre son precursores del ácido sulfúrico , un componente importante de la lluvia ácida . Si bien es posible añadir sustancias tales como vanadio a la capa de lavado del catalizador para combatir la formación de óxido de azufre, dicha adición reducirá la eficacia del catalizador. La solución más eficaz es refinar aún más el combustible en la refinería para producir diésel con un contenido ultrabajo de azufre . Las regulaciones en Japón, Europa y América del Norte restringen estrictamente la cantidad de azufre permitida en los combustibles para motores. Sin embargo, el gasto financiero directo de producir dicho combustible limpio puede hacer que no sea práctico para su uso en los países en desarrollo. Como resultado, las ciudades de estos países con altos niveles de tráfico vehicular sufren de lluvia ácida, [cita requerida ]que daña la piedra y la madera de los edificios, envenena a los seres humanos y otros animales, y daña losecosistemaslocales, a un costo financiero muy alto.

Aspectos negativos [ editar ]

Los convertidores catalíticos restringen el flujo libre de escape, lo que afecta negativamente el rendimiento del vehículo y la economía de combustible, especialmente en los automóviles más antiguos. [25] Debido a que los carburadores de los primeros automóviles eran incapaces de controlar con precisión la mezcla de aire y combustible, los convertidores catalíticos de los automóviles podrían sobrecalentarse y encender materiales inflamables debajo del automóvil. [26] Una prueba de 2006 en un Honda Civic 1999 mostró que la eliminación del convertidor catalítico original generó un aumento del 3% en los caballos de fuerza; un nuevo convertidor de núcleo metálico solo le cuesta al automóvil un 1% de potencia, en comparación con ningún convertidor. [27] Para algunos entusiastas del rendimiento, este modesto aumento de potencia por muy poco o ningún costo fomenta la eliminación o "destripamiento" del convertidor catalítico. [25] [28]En tales casos, el convertidor puede ser reemplazado por una sección soldada de tubería ordinaria o una "tubería de prueba" bridada, aparentemente destinada a verificar si el convertidor está obstruido, comparando cómo funciona el motor con y sin el convertidor. Esto facilita la reinstalación temporal del convertidor para pasar una prueba de emisiones. [27] Con el tiempo, los convertidores catalíticos también pueden "acumularse" con el hollín del proceso de combustión, lo que dificulta su capacidad para depurar gases tóxicos de forma eficaz. Esta acumulación se puede eliminar con numerosos limpiadores del sistema de combustible como Redex y Cataclean. [29]En muchas jurisdicciones, es ilegal quitar o desactivar un convertidor catalítico por cualquier motivo que no sea su reemplazo directo e inmediato. En los Estados Unidos, por ejemplo, es una violación de la Sección 203 (a) (3) (A) de la Ley de Aire Limpio enmendada de 1990 que un taller de reparación de vehículos retire un convertidor de un vehículo, o haga que un convertidor sea retirado de un vehículo, excepto para reemplazarlo con otro convertidor, [30] y la Sección 203 (a) (3) (B) hace que sea ilegal que cualquier persona venda o instale cualquier pieza que pueda evitar, anular o dejar inoperante cualquier sistema, dispositivo o elemento de diseño de control de emisiones. Los vehículos sin convertidores catalíticos en funcionamiento generalmente no pasan las inspecciones de emisiones. El mercado de repuestos automotricessuministra convertidores de alto flujo para vehículos con motores mejorados o cuyos propietarios prefieren un sistema de escape con una capacidad mayor que la de stock. [31]

Período de calentamiento [ editar ]

Los vehículos equipados con convertidores catalíticos emiten la mayor parte de su contaminación total durante los primeros cinco minutos de funcionamiento del motor; por ejemplo, antes de que el convertidor catalítico se haya calentado lo suficiente como para ser completamente efectivo. [32]

En 1995, Alpina introdujo un catalizador calentado eléctricamente. Llamado "E-KAT", se usó en el B12 5,7 E-KAT de Alpina basado en el BMW 750i . [33] Las bobinas de calentamiento dentro de los conjuntos del convertidor catalítico se electrifican justo después de arrancar el motor, lo que hace que el catalizador alcance la temperatura de funcionamiento muy rápidamente para calificar el vehículo para la designación de vehículo de bajas emisiones (LEV). [34] BMW introdujo más tarde el mismo catalizador calentado, desarrollado conjuntamente por Emitec, Alpina y BMW, [33] en su 750i en 1999. [34]

Algunos vehículos contienen un pre-cat, un pequeño convertidor catalítico antes del convertidor catalítico principal que se calienta más rápido en el arranque del vehículo, lo que reduce las emisiones asociadas con los arranques en frío. Un fabricante de automóviles suele utilizar un pre-gato cuando intenta obtener la clasificación de vehículo de emisiones ultrabajas (ULEV), como en el Toyota MR2 Roadster. [35]

Impacto ambiental [ editar ]

Los convertidores catalíticos han demostrado ser confiables y efectivos para reducir las emisiones nocivas del tubo de escape. Sin embargo, también tienen algunas deficiencias en el uso y también impactos ambientales adversos en la producción:

  • Un motor equipado con un catalizador de tres vías debe funcionar en el punto estequiométrico , lo que significa que se consume más combustible que en un motor de mezcla pobre . Esto significa aproximadamente un 10% más de emisiones de CO 2 del vehículo.
  • La producción de catalizadores requiere paladio o platino ; parte del suministro mundial de estos metales preciosos se produce cerca de Norilsk , Rusia , donde la industria (entre otras) ha provocado que Norilsk se agregue a la lista de la revista Time de los lugares más contaminados. [36]
  • Los trozos de convertidores catalíticos y el calor extremo de los propios convertidores [37] pueden provocar incendios forestales , especialmente en zonas secas. [38] [39] [40]

Robo [ editar ]

Debido a la ubicación externa y al uso de metales preciosos valiosos como platino , paladio y rodio , los convertidores catalíticos son un objetivo para los ladrones. El problema es especialmente común entre las camionetas y los SUV de último modelo, debido a su gran distancia al suelo y a los convertidores catalíticos atornillados de fácil extracción. Los convertidores soldados también corren el riesgo de robo, ya que pueden cortarse fácilmente. [41] [42] [43] Los cortatubos se utilizan a menudo para quitar silenciosamente el convertidor [44] [45] pero otras herramientas como una sierra recíproca portátilA menudo puede dañar otros componentes del automóvil, como el alternador, el cableado o las líneas de combustible, por lo que hay consecuencias peligrosas. El aumento de los precios de los metales en los EE. UU. Durante el auge de las materias primas de la década de 2000 llevó a un aumento significativo en el robo de convertidores, y reemplazar un convertidor catalítico puede costar más de $ 1,000. Esta cantidad aumenta (a veces en gran medida) si el vehículo sufrió más daños durante el proceso de extracción del convertidor. [46] [47] [48]

Diagnóstico [ editar ]

Varias jurisdicciones ahora requieren diagnósticos a bordo para monitorear la función y condición del sistema de control de emisiones, incluido el convertidor catalítico. Los sistemas de diagnóstico a bordo adoptan varias formas.

Los sensores de temperatura se utilizan para dos propósitos. El primero es como un sistema de advertencia, generalmente en convertidores catalíticos de dos vías, como los que todavía se usan a veces en carretillas elevadoras de GLP. La función del sensor es advertir sobre la temperatura del convertidor catalítico por encima del límite de seguridad de 750 ° C (1380 ° F). Los diseños de convertidores catalíticos más recientes no son tan susceptibles a los daños por temperatura y pueden soportar temperaturas sostenidas de 900 ° C (1,650 ° F). [ cita requerida ] Los sensores de temperatura también se utilizan para monitorear el funcionamiento del catalizador: generalmente se instalarán dos sensores, uno antes del catalizador y otro después para monitorear el aumento de temperatura sobre el núcleo del convertidor catalítico.

El sensor de oxígeno es la base del sistema de control de circuito cerrado en un motor de combustión rica encendido por chispa; sin embargo, también se utiliza para diagnósticos. En vehículos con OBD II , se instala un segundo sensor de oxígeno después del convertidor catalítico para controlar los niveles de O 2 . Los niveles de O 2 se monitorean para ver la eficiencia del proceso de quemado. La computadora de a bordo hace comparaciones entre las lecturas de los dos sensores. Las lecturas se toman mediante mediciones de voltaje. Si ambos sensores muestran la misma salida o el O 2 traseroestá "cambiando", la computadora reconoce que el convertidor catalítico no está funcionando o se ha quitado, y activará una lámpara indicadora de mal funcionamiento y afectará el rendimiento del motor. Se han desarrollado "simuladores de sensor de oxígeno" simples para evitar este problema mediante la simulación del cambio en el convertidor catalítico con planos y dispositivos premontados disponibles en Internet. Aunque no son legales para uso en carretera, se han utilizado con resultados mixtos. [49] Dispositivos similares aplican una compensación a las señales del sensor, lo que permite que el motor funcione con una combustión pobre más económica de combustible que, sin embargo, puede dañar el motor o el convertidor catalítico. [50]

NO
X Los sensores son extremadamente costosos y, en general, se usan solo cuando un motor de encendido por compresión está equipado con un convertidor de reducción catalítica selectiva (SCR), o un NO
X absorbedor en un sistema de retroalimentación. Cuando se instala en un sistema SCR, puede haber uno o dos sensores. Cuando se instala un sensor, será precatalizador; cuando se montan dos, el segundo será post-catalizador. Se utilizan por las mismas razones y de la misma manera que un sensor de oxígeno; la única diferencia es la sustancia que se está controlando. [ cita requerida ]

Ver también [ editar ]

  • Calentador catalítico
  • Óxido de cerio (III)
  • NO X adsorbedor
  • Modelado de dispersión de aire en carreteras

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b c d e Palucka, Tim (invierno de 2004). "Haciendo lo imposible" . Invención y tecnología . 19 (3). Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2008 . Consultado el 14 de diciembre de 2011 .
  2. ↑ a b c Petersen Publishing (1975). "El convertidor catalítico". En Erwin M. Rosen (ed.). El Manual de reparación y resolución de problemas automotrices de Petersen . Nueva York, NY: Grosset & Dunlap. pag. 493. ISBN 978-0-448-11946-5. Durante años, el sistema de escape ... permaneció prácticamente sin cambios hasta 1975 cuando se agregó un nuevo componente extraño. Se llama convertidor catalítico ...
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Lectura adicional [ editar ]

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  • Lachman, IM y col. Patente de EE.UU. 3.885.977 : "Monolito de cordierita anisotrópica" (sustrato cerámico). 5 de noviembre de 1973
  • Charles H. Bailey. Patente de Estados Unidos 4.094.645 : "Combinación de silenciador y convertidor catalítico que tiene baja contrapresión". 13 de junio de 1978
  • Charles H. Bailey. Patente de Estados Unidos 4.250.146 : '"Convertidor catalítico monolítico sin carcasa". 10 de febrero de 1981
  • Srinivasan Gopalakrishnan. GB 2397782  : "Proceso y sintetizador para la ingeniería molecular de materiales". 13 de marzo de 2002 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Convertidor catalítico en HowStuffWorks
  • Aplicaciones automotrices de lana aislante de alta temperatura
  • Catalizador Fotos
  • Información de reciclaje de convertidores catalíticos